靳永衛(wèi)

（浙江仙居抽水蓄能有限公司，浙江 臺(tái)州 317300）

水輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行是一個(gè)包含著電磁場(chǎng)、流體場(chǎng)、溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)等多種物理場(chǎng)的復(fù)雜過(guò)程，而且這些物理場(chǎng)之間相互影響、相互制約。通常情況下，設(shè)計(jì)人員通過(guò)較為合理的設(shè)計(jì)，使得各物理量間達(dá)到一種平衡狀態(tài)，從而電機(jī)可以正常運(yùn)行。然而水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行的可靠性是對(duì)其正常運(yùn)行的重要考核指標(biāo)，發(fā)電機(jī)的可靠性又主要體現(xiàn)在運(yùn)行過(guò)程中的溫升問(wèn)題，也就是內(nèi)部溫度場(chǎng)的分布問(wèn)題。其分布的不合理，會(huì)產(chǎn)生諸多的問(wèn)題，如溫升過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致絕緣的損壞，包括絕緣的分層、脫殼、老化等，從而使絕緣的電氣性能下降這些問(wèn)題在水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)不易發(fā)現(xiàn)，但是最終會(huì)引發(fā)電機(jī)內(nèi)部的各種放電、短路故障，造成水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)上的損壞，最終導(dǎo)致水輪發(fā)電機(jī)的故障，直接影響電站的可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

隨著水輪發(fā)電機(jī)單機(jī)容量的不斷增加，水輪發(fā)電機(jī)熱負(fù)荷也相應(yīng)提高，從而引起發(fā)電機(jī)各個(gè)部分溫度升高，直接影響電機(jī)的使用壽命和運(yùn)行的可靠性，因此對(duì)于水輪發(fā)電機(jī)的發(fā)熱和冷卻問(wèn)題的研究顯得日益重要，已經(jīng)成為當(dāng)前水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中最重要的問(wèn)題之一。

1 發(fā)電機(jī)溫升計(jì)算的作用

發(fā)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)，由于各種損耗的存在，將使發(fā)電機(jī)的定子繞組、轉(zhuǎn)子繞組及鐵芯發(fā)熱而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)溫度升高。如果各部溫度超過(guò)了絕緣材料的允許工作溫度，就會(huì)使絕緣老化加快，從而大大縮短發(fā)電機(jī)的使用壽命。

發(fā)電機(jī)的溫升計(jì)算，就是為了了解發(fā)電機(jī)在帶負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，各部分溫度的可能變化情況，從而能將其控制在限額以內(nèi)，保證發(fā)電機(jī)的安全可靠運(yùn)行。

溫升計(jì)算的意義如下：

（1）了解發(fā)電機(jī)在額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)的額定負(fù)荷能力和過(guò)載能力；

（2）繪制發(fā)電機(jī)在允許的電壓變動(dòng)范圍內(nèi)，及不同冷卻介質(zhì)溫度時(shí)的極限工作能力曲線，從而為發(fā)電機(jī)在非正常情況下的運(yùn)行提供依據(jù)；

（3）研究發(fā)電機(jī)各部分溫度與最高發(fā)熱點(diǎn)溫度的關(guān)系，為評(píng)價(jià)和改進(jìn)發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)及通風(fēng)冷卻系統(tǒng)提供依據(jù)；

（4）測(cè)定定子繞組絕緣熱降，研究絕緣熱降所反映的絕緣老化情況；

（5）確定繞組平均溫度、最高發(fā)熱點(diǎn)溫度和測(cè)溫計(jì)反映的溫度之間的關(guān)系，研究準(zhǔn)確監(jiān)視測(cè)量繞組溫度的方法。

2 發(fā)電機(jī)溫升計(jì)算研究方法

大型電機(jī)在國(guó)民生產(chǎn)中起著至關(guān)重要的作用，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)其通風(fēng)冷卻以及溫度場(chǎng)的計(jì)算進(jìn)行了大量卓有成效的研究工作，但是大型電機(jī)的通風(fēng)冷卻的研究涉及到電磁學(xué)、流體力學(xué)、傳熱學(xué)和數(shù)值計(jì)算方法等多學(xué)科的理論，因此對(duì)于大型電機(jī)的通風(fēng)冷卻研究的進(jìn)步必定建立在這些學(xué)科理論的進(jìn)步基礎(chǔ)之上。在水輪發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，溫升計(jì)算是設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容之一，它直接關(guān)系到電機(jī)的出力、效率等性能和經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，同時(shí)也影響到電機(jī)的使用壽命和運(yùn)行的可靠性準(zhǔn)確地溫升計(jì)算不僅是制造廠家多年來(lái)尋求的目標(biāo)，也是電機(jī)運(yùn)行部門(mén)關(guān)注的重要問(wèn)題之一。目前，溫升計(jì)算的主要方法有簡(jiǎn)化公式法、等效熱路法和溫度場(chǎng)法。

（1）簡(jiǎn)化公式法。簡(jiǎn)化公式法是假定全部鐵心損耗及有效部分銅耗只通過(guò)定子(或轉(zhuǎn)子)圓柱形冷卻表面散出，而且電樞繞組銅的有效部分和接觸部分之間沒(méi)有熱交換這些假定雖然不盡合理，但是這種方法所采用的散熱系數(shù)是根據(jù)結(jié)構(gòu)相同或相似的電機(jī)溫升試驗(yàn)結(jié)果確定的，因此計(jì)算結(jié)果比較接近于實(shí)際,這種方法的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡(jiǎn)單，因此易于被工廠接受，缺點(diǎn)是不太精確，不夠完整，只能計(jì)算出電機(jī)的平均溫升，不能滿足日益提高的設(shè)計(jì)工作的需要。

（2）等效熱路法。等效熱路法是根據(jù)傳熱學(xué)和電路理論來(lái)形成等效熱路，熱路圖中的熱源為繞組的銅損耗(槽部、端部)，鐵損耗(齒部、扼部)，這些損耗所在部件在計(jì)算時(shí)被認(rèn)為是均質(zhì)的。損耗熱量通過(guò)各種相應(yīng)的熱阻，由熱源向冷卻介質(zhì)傳遞，形成一個(gè)復(fù)雜的熱網(wǎng)絡(luò)采用電路網(wǎng)絡(luò)中基爾霍夫定律來(lái)列出全部熱平衡方程，然后用求解線性電路的方法，計(jì)算電機(jī)各有效部分的平均溫升。此方法計(jì)算精度比簡(jiǎn)化公式法高，能夠得到電機(jī)總體溫升和平均溫升如果要提高計(jì)算精度，必需增加網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和熱阻數(shù)，但這使工作量大大增加，從而失去其計(jì)算工作量小等優(yōu)點(diǎn)。

國(guó)外有專家早在1955年就在AIEE上發(fā)表用熱路法預(yù)測(cè)鑄鋁鼠籠電動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)停車(chē)溫度的文章由于該方法計(jì)算的結(jié)果是從整體出發(fā)，得到總體溫度和溫升，因此，預(yù)測(cè)平均溫度相當(dāng)準(zhǔn)確，但不能預(yù)測(cè)最熱點(diǎn)溫度。不過(guò)由于計(jì)算簡(jiǎn)單，便于手算，加之多年的經(jīng)驗(yàn)，計(jì)算結(jié)果總的來(lái)說(shuō)基本上是符合實(shí)際，所以一直沿用至今。Y.Guo等人在2005年針對(duì)帶有軟磁復(fù)合定子的爪極永磁電機(jī)的具體特點(diǎn)，采用集總和分布參數(shù)混合方式以準(zhǔn)確計(jì)算各部分的鐵心損耗，從而進(jìn)行電機(jī)的熱分析。

（3）溫度場(chǎng)法。溫度場(chǎng)法是用現(xiàn)代數(shù)值方法來(lái)求解熱傳導(dǎo)方程，也就是將求解區(qū)域離散成許多小單元，在每個(gè)單元中建立方程，再對(duì)總體方程組進(jìn)行求解。由此可見(jiàn)，溫度場(chǎng)法將研究對(duì)象從宏觀轉(zhuǎn)為微觀，從總體轉(zhuǎn)到局部單元，求得每一點(diǎn)的溫度和溫升，對(duì)整個(gè)計(jì)算區(qū)域中的每個(gè)局部單元都能獲得可靠的計(jì)算數(shù)據(jù)，從而更加準(zhǔn)確、合理地指導(dǎo)對(duì)電機(jī)的設(shè)計(jì)。1974年，A.N.鮑里先科等人給出了用電子計(jì)算機(jī)求解溫度場(chǎng)的一些方法和實(shí)例。

對(duì)電機(jī)溫升的計(jì)算中，等效熱路法是基于場(chǎng)路結(jié)合的思想有限差分法、有限元法和有限體積元法才是實(shí)際意義上溫度場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算方法，意大利學(xué)者G.Cannistra于1991年針對(duì)深槽鼠籠異步電機(jī)分別采用熱網(wǎng)絡(luò)法(TNM)和有限元法((FEM)分別進(jìn)行了分析。

有限差分法是用差分來(lái)近似代替微分，把求解域內(nèi)的偏微分方程和有關(guān)的邊界條件，化成適用于區(qū)域內(nèi)部和邊界上各個(gè)節(jié)點(diǎn)處的差分方程組，然后用古典方法或計(jì)算機(jī)來(lái)求解聯(lián)立的差分方程組。北京計(jì)算中心曹?chē)?guó)宣用有限差分法計(jì)算了水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度場(chǎng)；2000年張新波、許承千進(jìn)行了電機(jī)溫度場(chǎng)與電機(jī)空氣溫度場(chǎng)的偶合計(jì)算。

但由于有限差分法采用的是直交網(wǎng)格，該方法較難適應(yīng)區(qū)域形狀的任意性，而且區(qū)分不出場(chǎng)函數(shù)在區(qū)域中輕重緩急之差異，對(duì)于復(fù)雜的二類(lèi)邊界條件及內(nèi)部介質(zhì)界面的處理比較困難，宜于求解邊界比較規(guī)則的電機(jī)溫度場(chǎng)問(wèn)題。

有限元法是R.Courant于1943年首先提出，20世紀(jì)50年代由航空結(jié)構(gòu)工程師們所發(fā)展，隨后逐漸波及到土木結(jié)構(gòu)工程，到了20世紀(jì)60年代，在一切連續(xù)領(lǐng)域，都愈來(lái)愈廣泛的得到應(yīng)用。與差分法相比，具有剖分靈活的特點(diǎn)，對(duì)于復(fù)雜的幾何形狀，邊界條件、不均勻的材料特性、場(chǎng)梯度變化較大的場(chǎng)合，都能靈活地加以考慮，通用性強(qiáng)故用有限元求解溫度場(chǎng)，可以求出場(chǎng)域內(nèi)各點(diǎn)的溫度值，從而更準(zhǔn)確地描述整個(gè)求解域內(nèi)溫度的分布。

1996年孔祥春等人進(jìn)行了水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子中部最熱段三維溫度場(chǎng)的有限元計(jì)算。2005年陳琳、姚若萍等人采用有限元法結(jié)合流場(chǎng)分析對(duì)軸向通風(fēng)冷卻電機(jī)的轉(zhuǎn)子溫度進(jìn)行了研究。由于有限元法在溫度場(chǎng)求解方面的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)前仍然是電機(jī)溫度場(chǎng)求解的主要方法之一。

3 結(jié)語(yǔ)

電機(jī)的發(fā)熱與冷卻的研究始終是電機(jī)學(xué)科永恒的話題，對(duì)于大型發(fā)電機(jī)更是顯得尤為重要。電機(jī)的發(fā)熱與冷卻屬于流體力學(xué)、傳熱學(xué)、電磁學(xué)和電機(jī)工程等學(xué)科的綜合研究，也是邊緣學(xué)科，迄今為止，國(guó)內(nèi)外在這方面所做的工作還不多。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，使得大型水輪發(fā)電機(jī)流體場(chǎng)、溫度場(chǎng)、電磁場(chǎng)、機(jī)械應(yīng)力、各種電磁機(jī)械參數(shù)分析計(jì)算得以更加詳細(xì)深入，可以根據(jù)理論計(jì)算，進(jìn)一步降低發(fā)電機(jī)內(nèi)部雜散損耗的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，降低發(fā)電機(jī)的事故率、提高可靠性等。

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